Metallischer Zustand in zweidimensionalen Halbleiterstruktur

In jüngster Zeit wurde in ultradünnen (zweidimensionalen) Halbleiterstrukturen ein neuer metallischer Zustand bei sehr tiefen Temperaturen entdeckt. Dies ist überraschend, da die akzeptierten Theorien in diesem Regime ein isolierendes Verhalten vorausgesagt haben. Die Wichtigkeit des Themas liegt im ultimativen Verständnis der Quantenprozesse in elektronischen Strukturen. Derartige Prozesse sind sehr wichtig für die Interpretation vieler Effekte in den heutigen Nanostrukturen (mesoskopische Systeme) und in Zukunft können sie sogar für die "Quantum Computation" eine entscheidende Rolle spielen. Im vorgeschlagenen Projekt sollen verschiedene Halbleiterstrukturen mittels elektrischer Messungen bei Temperaturen bis hinab zu 30 Millikelvin und sehr hohen Magnetfeldern untersucht werden. Diese Bedingungen sind notwendig, da dann auch sehr schwache Quanteneffekt sichtbar werden und durch externe Parameter optimiert und variiert werden können. Verschiedene Typen von Silizium-basierenden Halbleiterstrukturen werden maßgeschneidert um die Symmetrie der Wellenfunktion in der aktiven zweidimensionalen Schicht zu variieren. Durch unsere Untersuchungen der Leitfähigkeit unter den extremen Bedingungen werden wir in der Lage sein die derzeitigen Theorien über den metallischen Zustand in zwei Dimensionen zu testen. Es sind elektronische Streuung an geladenen Störstellen, elektronische Abschirmung von Streuzentren und Quantenkorrekturen aufgrund von Elektron-Elektron Wechselwirkung im ballistischen Regime. Wir hoffen weiters auch klären zu können ob die Quantenkorrekturen stark genug sind, um einen fundamental neuen elektronischen Grundzustand zu formen. Um die notwendigen Untersuchungen durchführen zu können, wird ein Helium3/4 Mischkryostat zusammen mit einem supraleitenden Magneten beantragt. Diese Gerätekombination ermöglicht das Erreichen von Temperaturen von nur 30 Millikelvin oberhalb des absoluten Temperaturnullpunktes bei Magnetfeldern bis zu 17 Tesla. Die Probe kann innerhalb des Kryostaten verdreht werden, um die Richtung des Magnetfeldes relativ zur Probenoberfläche einzustellen. Man kann damit auswählen, ob orbitale oder Spin-Effekte das Verhalten der Elektronen bei den Messungen dominieren.

Im Projekt "Metallischer Zustand in zwei-dimensionalen Halbleiterstrukturen" wurden der unerwarteten Eigenschaften von Elektronen in einer dünnen Schicht bei sehr tiefen Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunktes, also ca. -270C untersucht. Laut der bisher gültigen Theorien sollten alle zwei-dimensionalen Elektronensysteme (in einer extrem dünnen, quantisierten Schicht) zum aboluten Nullpunkt hin elektrisch isolierend werden. Auf den erste Blick scheint es als ob so eine Abweichung von der Theorie bei extrem tiefen Temperaturen keine parktische Anwendung haben würde. Aber als grundlegende Eigenschaft möchte man die Elektron-Elektron Wechselwirkung im sogenannten Quantenlimes verstehen. Dies kann neue Einsicht in der Verhalten wechselwirkender Elektronen geben und kann Anwendung in zuküftigen elektronischen Systemen besitzen, in denen Quanteneffekte zwischen wechselwirkenden Elektronen wichtig sind, wie z.B. bei "Quantum- Computation". Das Prinzip der Quantum-Computation wurde experimentell demonstriert und wird inzwischen recht gut verstanden. Aber es ist überhaupt noch nicht klar ob diese Prinzip in Zukunft für die Arbeit auf jedem Schreibtisch eingesetzt werden kann, oder ob das nur durch sehr komplexe Anlagen geschehen kann. In unserer Arbeit haben wir den metallischen Zustand in üblichen Silizium-Metall-Oxyd Transistoren als auch an spezielleren Halbleiterstrukturen untersucht. We fanden, dass das Verhalten recht gut mit einer neueren Theorie von kohärenten Elektron-Elektron Wechselwirkungen im ballistischen Regime beschrieben werden kann. Kohärent bedeutet hier, dass die Welleneigenschaften der überlappenden Elektronen wichtig sind und die Eigenschaften bestimmen. Weiters habe wir das sogenannte Dipol-Störstellen Streumodell für den Metall-Isolator-Übergang bei tiefen Temperaturen in einer detailierten theoretischen Behandlung untersucht, da es wichtig ist ob das zuvor erwähnte ballistische Wechselwirkungsmodell das Einzige ist, mit dem das Verhalten beschrieben werden kann oder ob andere Modelle beitragen oder dieses Modell ersetzen können. Wir haben sowohl analytische als auch numerische Berechnungen durchgeführt und konnten das bereits bestehende Modell auf realistischer Fälle wie energetische Verbreiterung und räumliche Begrenzung der Störstellenzustände erweitern. Mit diesen Erweiterung ist das Störstellenmodell in der Lage das Verhalten des elektrischen Widerstandes bei tiefen Temperaturen zu beschreiben und muss als ein alternative Erklärung für den unerwarteten metallischen Zustand beachtet werden.